Бактериальная инспекция

Бактериальная инспекция
Медицинские нанороботы – все еще фантастика. Не беда: эту работу вполне могут
выполнять бактерии.
Беспорядочно мельтешащие под микроскопом бактерии внезапно замирают на месте.
Затем, будто сговорившись, начинают выстраиваться в ровную линию. Микробы за
считаные секунды занимают свои места в колонне, и тут в движение приходит весь строй
- бактерии как по команде синхронно поворачиваются налево.
Движениями микробов действительно управляют. Этим занимается сидящий за пультом
ученый - профессор Политехнической школы Монреаля Сильван Мартель. Созданная
канадским ученым установка контролирует перемещение бактерий с помощью
магнитного поля с точностью до тысячных долей миллиметра. Недавно исследователь
показал свой прибор в действии. 5000 бактерий согласованно передвигали в капле воды
микроскопические полимерные блоки и сложили из них миниатюрное строение.
Это только начало испытаний. В ближайшем будущем такую «рабочую силу» можно
будет применить с большей пользой - в медицине. Уже много лет в лабораториях по всему
миру пытаются создать микророботов, которые смогли бы выполнять различные операции
внутри организма пациентов. Дальше простейших прототипов у инженеров дело пока не
пошло. Теперь ученые получили возможность пойти обходным путем - на смену сложным
и неэффективным устройствам приходят микроорганизмы.
Возведенное бактериями строение можно разглядеть только под микроскопом. Оно
напоминает египетскую пирамиду. Сходство не случайно. «Пирамиды - один из первых
шагов человека к созданию действительно сложных конструкций, - рассказывает Сильван
Мартель. - Мы подумали, что будет символично, если микроорганизмы выполнят именно
такое задание». Настоящие пирамиды сооружали многие годы. Бактерии управились с
моделью за 15 минут. Это несмотря на то, что строительные блоки были куда крупнее
самих «рабочих».
Микроорганизмы работали сообща. Под микроскопом 5000 бактерий выглядели как
сплошное темное облако. Вот этот рой нависает над одним из «кирпичей». В следующую
секунду микробы начинают медленно, но верно толкать блок на заданное в чертеже место.
«Мы пока только обкатываем технологию, - говорит Мартель. - В принципе, все то же
самое можно делать значительно быстрее».
Секрет успеха - в выдающихся способностях этих микроорганизмов. Канадские ученые
используют в работе бактерии Magnetospirillum magnetotacticum. «Оказалось, это
настоящие рекордсмены, - объясняет Мартель. - Они движутся на порядок быстрее других
бактерий». Кроме того, эти микроорганизмы чувствительны к магнитным полям - они в
больших количествах накапливают в себе соединения железа. Ученые пока не очень
хорошо понимают, зачем это нужно самим микробам. Зато теперь понятно, как такую
особенность может использовать человек. С помощью магнитного поля Мартель
заставляет бактерии разворачиваться в нужную сторону. Дальше они двигаются
самостоятельно - у них есть специальные жгутики, работающие, как гребные винты
кораблей.
Они могут перемещаться не только в капле воды под микроскопом. Канадский ученый
ввел бактерии в кровь лабораторных крыс и с помощью магнитного поля заставил
микробов маневрировать в сосудах. Оказалось, бактерии способны двигаться даже против
течения. Правда, преодолевать поток им удавалось только в небольших капиллярах, где
кровь циркулировала медленно. В крупных артериях «пловцов» безнадежно сносило скорость жидкости там достигала нескольких десятков сантиметров в секунду.
Размножаться в крови эти микробы не способны, поэтому на здоровье грызунов их
присутствие не повлияло. Микроорганизмы некоторое время двигались по сосудам, а
затем погибли.
Эффективности бактериальных двигателей позавидует любой инженер. «Главная
проблема, о которую разбиваются попытки создать медицинских микророботов, - их
габариты, - рассуждает Владимир Лобаскин, физик из Университетского колледжа
Дублина. - Требования к размеру этих устройств таковы, что для них очень непросто
создать достаточно мощный мотор». Сам Лобаскин занимается теоретическими расчетами
эффективности как раз таких вот микроскопических двигателей. «Технические
характеристики» бактерий Мартеля произвели на физика большое впечатление: «Это
практически готовая система для решения медицинских задач».
Похоже, разработчикам настоящих микророботов на это действительно нечем ответить.
Один из самых последних прототипов был создан несколько лет назад в швейцарском
Институте робототехники и интеллектуальных систем. Он представляет собой крошечную
металлическую спираль, которую можно разглядеть только под очень мощным
микроскопом. Попав в переменное магнитное поле, она начинает вращаться и работать,
как пропеллер. Направлением движения этого устройства тоже можно управлять с
помощью магнитов.
Со временем разработчики рассчитывают использовать его для доставки лекарств в
различные ткани человеческого организма. Пока получается не очень хорошо. Эти
изделия примерно в десять раз медленнее «живых роботов», с которыми работают в
Канаде. О маневрах в кровеносных сосудах говорить даже не приходится. В этом нет
ничего удивительного, уверен Мартель. За миллионы лет эволюция хорошо поработала
над бактериями. Быстро создать такое же совершенное искусственное устройство будет
очень непросто.
Именно поэтому биотехнологи из корейского Национального университета Чуннам
попробовали совместить в своей работе два противоположных подхода. Созданный ими
прототип медицинского микроробота построен из синтетического полимера и клеток
сердечной мышцы человека - кардиомиоцитов. Клетки натянуты на гибкий пластиковый
каркас на специальных ножках. Сокращаясь, клетки приводят в движение всю
конструкцию, и устройство начинает перебирать ногами. Разработчики предполагают, что
в будущем подобные роботы смогут путешествовать по кровеносным сосудам человека,
цепляясь за стенки. Функционировать такие изделия смогут очень долго - «клеточный
двигатель» использует в качестве топлива растворенную в крови глюкозу.
«Всего несколько лет назад разговоры о роботах, доставляющих лекарства в
определенные точки организма, казались фантазиями, - говорит Алексей Снежко, физик
из Аргоннской национальной лаборатории (США). - Теперь понятно, что в самое
ближайшее время их начнут испытывать на людях».
Как это будет выглядеть, понятно уже сейчас. В одном из последних опытов Сильван
Мартель и его коллеги ввели бактерии в организм больной раком крысы. А затем
поместили ее в медицинский томограф. Эти приборы используют сильные магнитные
поля для построения трехмерных карт организма пациента. После небольшой переделки
установка превратилась в командный пункт для микробов. С ее помощью ученые провели
бактерии по кровеносной системе грызуна прямо в район опухоли. Микроорганизмы
доставили к пораженной области учебный груз - флуоресцирующее вещество. Вскоре
Мартель планирует повторить эксперимент. На этот раз бактерии будут нести
противоопухолевый препарат.
Русский Newsweek